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Comment éviter les problèmes de CEM lors de la conception des circuits imprimés ?

CEM dans les circuits imprimés
Compatibilité électromagnétique (EMC) est une considération essentielle dans la conception électronique moderne. Il s'agit de la capacité d'un équipement électronique à fonctionner correctement dans un environnement électromagnétique sans générer d'interférences électromagnétiques (EMI) qui affecte d'autres équipements.
FS Tech traitera des questions relatives à la compatibilité électromagnétique et à l'interférence électromagnétique (EMI) au sein de l'Union européenne. Conception de circuits imprimés qui est le moyen le plus efficace et le moins coûteux de mettre l'équipement de votre système en conformité avec les normes CEM.

Comprendre la CEM

Ensuite, nous aborderons l'importance de la CEM dans les circuits imprimés.

Qu'est-ce que la CEM dans les circuits imprimés ?

La compatibilité électromagnétique signifie que l'équipement électronique dans l'environnement prévu ne sera pas dégradé, perdu ou endommagé par l'environnement électromagnétique dans le voisinage. En outre, l'équipement électronique ne génère pas d'énergie électromagnétique excessive susceptible d'affecter le fonctionnement normal des équipements voisins.
Conception de circuits imprimés pour la CEM
La CEM comprend deux aspects fondamentaux : les interférences électromagnétiques (EMI) et l'immunité électromagnétique (EMS). 
CEM&EMI&EMS
L'identification de la source des interférences électromagnétiques peut vous aider à mettre en œuvre de bonnes stratégies de mise à la terre, de blindage ou d'agencement des circuits imprimés et à limiter les problèmes de CEM dans les circuits imprimés. Veiller à ce que les appareils électroniques puissent coexister dans n'importe quel environnement sans perturber les performances des uns et des autres.
Le tableau suivant résume les principales normes CEM applicables à des secteurs spécifiques :
Standard Description
IEC 61000-6-1
Immunité pour les équipements résidentiels
IEC 61000-6-2
Immunité pour les équipements industriels
IEC 61000-6-3
Limites des émissions résidentielles
IEC 61000-6-4
IEC 61000-6-2
CISPR 32
Limites pour les équipements multimédias
IEC 60601-1-2
Tests de sécurité pour les équipements médicaux électriques
MIL-STD-461
Norme américaine relative aux exigences en matière de compatibilité électromagnétique dans les applications militaires
FCC Partie 15
Réglementation américaine relative aux émissions involontaires des appareils électroniques.
FS Tech répond à toutes les exigences de la CEI relatives à votre secteur d'activité. Nous vous aidons ainsi à améliorer la qualité de vos produits.

Qu'est-ce que l'EMI dans les circuits imprimés ?

L'EMI est le phénomène d'ondes électromagnétiques provenant d'un appareil et interférant avec un autre appareil par rayonnement ou conduction dans la conception des circuits imprimés. Il s'agit du processus par lequel l'énergie électromagnétique destructive est transférée d'un appareil électronique à un autre et comprend généralement les signaux de radiofréquence (RF) et d'autres ondes électromagnétiques dans la gamme des fréquences.
L'EMI est l'énergie électromagnétique libérée par tous les appareils électroniques fabriqués par l'homme. Elle interfère avec les composants critiques de la carte de circuit imprimé et affecte gravement les systèmes électroniques. Cela peut avoir des conséquences dangereuses dans les environnements électromagnétiques.
Les équipements hospitaliers tels que les IRM produisent de puissants champs électromagnétiques (CEM) qui peuvent provoquer des interférences électromagnétiques dans les circuits imprimés d'autres appareils. dispositifs médicauxCes sources d'IEM peuvent mettre en danger la vie des patients, comme les stimulateurs cardiaques. Les micro-ondes, les téléviseurs, les radios et les générateurs d'électricité sont d'autres sources courantes d'IEM, qui peuvent perturber les signaux et endommager les appareils électroniques.

Utiliser les techniques de compatibilité électromagnétique pour gérer les interférences électromagnétiques dans les circuits imprimés. La CEM dans les circuits imprimés aide tous les équipements à fonctionner correctement et à se conformer aux normes de la série IEC 61000, qui imposent de limiter les émissions EMI et d'améliorer l'immunité des équipements. 

Le respect de ces normes garantit l'approbation réglementaire et la création de produits électriques durables.
Standard Description
IEC 61000-3-2
Limite les distorsions de forme d'onde provenant du réseau électrique principal
IEC 61000-3-3
Limite le scintillement et les fluctuations dans les systèmes à basse tension
IEC 61000-4-2
Tests d'immunité aux décharges électrostatiques (ESD)
IEC 61000-4-3
Tests d'immunité contre l'énergie électromagnétique
De nombreuses industries ont des réglementations spécifiques basées sur leurs environnements électromagnétiques distincts. Pour un circuit imprimé d'appareil médical, les directives EMI/EMC sont relativement plus strictes. La norme IEC 60601 fournit un cadre pour garantir que les patients et les prestataires de soins de santé restent à l'abri des risques liés aux équipements médicaux.
FS Tech a passé tous les tests et a démontré une maîtrise complète de l'EMI et de l'EMC dans la conception des PCB. Vous pouvez donc nous confier votre projet.

Qu'est-ce que l'EMS dans le PCB ?

Susceptibilité électromagnétiqueLe terme EMS désigne la capacité d'un équipement électronique à fonctionner correctement lorsqu'il est soumis à des interférences électromagnétiques externes. Il s'agit d'un indicateur important pour évaluer la stabilité et la fiabilité du produit dans l'environnement électromagnétique. L'objectif d'un test EMS est de garantir la performance de l'équipement lorsqu'il est soumis à une interférence électromagnétique spécifique, afin de protéger la sécurité de l'utilisateur et la fiabilité du produit.
Test EMS
Le test EMS évalue principalement les performances et la stabilité de l'équipement lorsqu'il est soumis à des interférences électromagnétiques externes, y compris plusieurs types de la figure suivante.

Conseils pour résoudre les problèmes de CEM des circuits imprimés

Voici quelques conseils pratiques pour gérer la CEM dans votre circuit imprimé afin d'obtenir une conception modulaire.

1. Disposition des lignes de signalisation

Une disposition correcte des lignes de signaux sur le circuit imprimé permet de séparer les chemins de signaux afin de minimiser les interférences. Les signaux de même type sont regroupés et acheminés parallèlement. Cela signifie que les signaux analogiques et numériques voyagent ensemble sans se croiser.
Lorsqu'il s'agit de systèmes à grande vitesse tels que HDMILa méthode de signalisation différentielle est utilisée par les réseaux de télécommunications, tels que l'USB, l'Ethernet et le PCI Express. Elle réduit les émissions électromagnétiques en envoyant une paire de signaux inversés le long de conducteurs séparés.
Le récepteur compare alors les deux signaux, extrait les données pertinentes et annule le bruit de mode commun. Cette technique est particulièrement utile lorsque vous souhaitez transférer des données à des vitesses plus élevées.

2. Considérations sur le courant de retour

Veillez à ce que les voies de retour du courant électrique soient aussi courtes et directes que possible. Des chemins de retour longs et étroits augmentent l'inductance et les interférences électromagnétiques. Utilisez de grands ou de multiples sol afin de fournir une référence stable pour les signaux.
Un plan continu avec un minimum de boucles de terre réduit le risque de rebond. Il s'agit d'un problème courant dans les conceptions à grande vitesse lorsque des courants fluctuants retournent au sol à des vitesses variables. Ils devraient atteindre le sol en même temps.
On peut y parvenir en plaçant les plans de masse à proximité des couches de signaux à grande vitesse et en gardant les chemins de retour courts.

3.Réduction des temps de montée et de descente

Réduire le temps de montée/descente du signal en utilisant des composants à faible capacité et en adaptant l'impédance des lignes de transmission. Lorsque l'impédance de la charge et des lignes de transmission diffère, les signaux sont réfléchis.
Ces réflexions entraînent des oscillations de la forme d'onde appelées "ringing". Elles font rebondir le signal vers la source au lieu de l'acheminer proprement vers la charge. Les résistances en série peuvent contribuer à ralentir les taux de fronts du signal, ce qui élimine l'effet d'anneau et de rebond.
Calculez soigneusement la largeur et l'espacement de chaque trace afin de maintenir une impédance cohérente sur l'ensemble du circuit.

4.Traitement des lignes de transmission

Les longues traces sur le circuit imprimé agissent comme des lignes de transmission. Il faut les éloigner des lignes de signaux, surtout analogiques, pour réduire la diaphonie. L'interférence des champs électromagnétiques des signaux rapides qui s'infiltrent dans les longues lignes est appelée couplage. Il se produit lorsque des lignes de transmission (longues traces) sont parallèles à des lignes de données à grande vitesse.
Cette situation est problématique pour les conceptions qui nécessitent la coexistence de signaux analogiques et numériques. La transition rapide des signaux numériques provoque des pics de tension dans les traces analogiques, ce qui entraîne des erreurs dans la conversion analogique-numérique ou numérique-analogique.

5. Longueur de la ligne d'horloge

Veillez à ce que toutes les lignes d'horloge aient la même longueur afin d'éviter les erreurs de synchronisation lorsque les signaux n'atteignent pas les composants simultanément. De cette manière, tous les signaux d'horloge atteindront leur destination en même temps, ce qui évitera les décalages temporels et les dysfonctionnements potentiels.
Une synchronisation précise est nécessaire dans les circuits à grande vitesse des appareils modernes. Si les signaux présentent une gigue (ils arrivent à la charge à des moments différents), les taux de front des signaux peuvent changer de façon spectaculaire. Cela entraîne des erreurs dans les processus sensibles au temps, comme le transfert de données.
Une gigue excessive peut corrompre les données, perturber le fonctionnement de l'appareil, voire l'endommager irrémédiablement. Utilisez des techniques d'agencement de circuits imprimés telles que le routage en méandres ou en serpentin pour maintenir une longueur de ligne d'horloge égale.
Ces techniques ajoutent des motifs en zigzag ou en forme de serpent aux tracés plus courts, de manière à ce qu'ils correspondent à la longueur des tracés de signaux numériques plus longs.

6. Mise en place du sol

La mise à la terre protège le circuit imprimé des interférences électromagnétiques pour garantir un fonctionnement sans faille. La mise en place d'une masse commune pour tous les signaux réduit encore les risques d'interférences et d'erreurs. La stratégie courante consiste à placer des plans de masse à proximité de chaque couche de signaux, afin que les courants puissent revenir en toute sécurité.
Cette disposition de la masse protège contre le couplage de bruit et le rebond de masse. Le couplage de bruit se produit lorsque les traces de signaux sont proches les unes des autres, ce qui permet aux interférences électromagnétiques de sauter de l'une à l'autre. Le rebond de masse, quant à lui, est la sanction d'une erreur potentielle.
Ce phénomène se produit lorsque les plans de masse ne sont pas continus et que les tensions fluctuent en raison d'une mauvaise voie de retour. Les rebonds de masse provoquent des erreurs de synchronisation des signaux. Par exemple, l'USB 3.0 transmet des données à grande vitesse. S'il n'y a pas assez de plans de masse, les données risquent d'être interrompues, voire corrompues dans certains cas.

8. Conception du blindage et de l'encapsulation

Le blindage et l'encapsulation améliorent l'EMI et l'EMC dans la conception des circuits imprimés. Le blindage consiste à ajouter une barrière conductrice, comme du métal, autour des composants pour bloquer les interférences électromagnétiques. Cette barrière conduit les ondes électromagnétiques rouges chaque fois qu'elles tentent d'envahir ou de quitter la zone protégée.
L'encapsulation, quant à elle, consiste à ajouter une barrière non conductrice (plastique ou mélanges de résines) sur le PCB. Cette barrière ne sert pas à conduire l'électricité, mais à protéger le PCB des chocs physiques, de l'humidité et des facteurs environnementaux susceptibles de l'affecter.

9. Gestion des câbles

La gestion de l'infrastructure des câbles est essentielle pour une conception CEM réussie. Un acheminement et un blindage corrects des câbles permettent de réduire les interférences électromagnétiques sur le circuit imprimé. Placez les câbles loin des composants et acheminez-les séparément des lignes d'alimentation et des traces de signaux.
Blinder les câbles pour contenir les interférences électromagnétiques et éviter qu'elles n'interrompent le fonctionnement de l'appareil. Composants du PCB. Évitez les boucles lors de l'acheminement des câbles, car elles attirent et émettent des interférences électromagnétiques. Les câbles à paires torsadées permettent d'éviter toute interférence externe.

10. Tests de pré-conformité

Les tests de pré-conformité permettent d'économiser du temps et des ressources en identifiant très tôt les problèmes d'interférence électromagnétique et de compatibilité électromagnétique dans les cartes de circuits imprimés. Vous pouvez apporter des ajustements à votre conception en cours de route, avant le test de conformité final. La plupart des ingénieurs PCB possèdent déjà les outils et techniques idéaux, mais certains tests de pré-conformité nécessitent un équipement spécialisé.
Les essais consistent à mesurer les émissions rayonnées, l'immunité rayonnée, les décharges électrostatiques (ESD) et les émissions conduites. Mettre en place un petit laboratoire d'essai interne pour effectuer des contrôles tout au long de la phase de conception.

11. Utilisation des outils de simulation

Outils de simulation aident également les concepteurs à détecter les problèmes avant même la fabrication du circuit imprimé. Vous pouvez simplement simuler votre conception à l'aide d'un logiciel afin de vérifier le comportement de la CEM et de procéder à des ajustements si nécessaire.
Des logiciels comme Altium Designer, KiCAD ou OrCAD sont les outils de simulation de circuits imprimés les plus populaires en 2024. Si vous avez affaire à des projets de grande envergure, vous pouvez utiliser Altium Designer ou OrCAD. Ils offrent tous deux une simulation avancée et d'immenses bibliothèques pour gérer efficacement les opérations complexes.
Pour les petites entreprises ou les concepteurs individuels, KiCAD est l'option privilégiée. Il s'agit d'une plateforme à code source ouvert qui bénéficie du soutien d'une communauté. Vous pouvez y accéder gratuitement à des fins personnelles ou éducatives.

12. Processus de conception itératif

Un succès Conception de circuits imprimés résulte d'un processus itératif de conception, d'essai et d'amélioration. Poursuivre améliorer la configuration de votre circuit imprimé sur la base des résultats des tests et même de nouveaux apprentissages. En matière d'électronique, il y a toujours place à l'amélioration.

Utilisez les résultats de votre essais et la simulation pour s'assurer qu'il n'y a rien d'autre à faire. Il s'agit généralement d'ajustements mineurs, tels que la vérification de l'emplacement des composants, de la largeur des traces et des couches de terre.
Si vous révisez une conception, testez-la à nouveau pour voir si les changements ont apporté des améliorations. Continuez à vérifier le circuit imprimé en permanence jusqu'à ce qu'il soit optimal.

Essais et validation

Les essais de pré-conformité et la surveillance continue sont les meilleures méthodes pour évaluer votre PCB et votre CEM par rapport aux applications pratiques. Les quatre tests - émissions rayonnées, immunité rayonnée, ESD et émissions conduites - y contribuent.
Les émissions rayonnées peuvent être mesurées à l'aide d'un équipement spécialisé appelé analyseur de spectre. Il détecte les IEM en balayant toutes les hautes, moyennes et basses fréquences. Toutefois, cet appareil est assez coûteux et les concepteurs utilisent généralement des analyseurs de spectre USB. Ils sont économiques, compacts, portables et utilisent la puissance de traitement de l'ordinateur pour effectuer le travail.
L'immunité rayonnée évalue la façon dont l'appareil équipé de votre carte de circuits imprimés réagit aux interférences électromagnétiques. Exposez l'appareil à une téléphone portable pour voir s'il y a des problèmes de performance. Effectuez le test à l'intérieur du champ électromagnétique pour obtenir des résultats précis.
Le test ESD vérifie si l'appareil peut résister à une décharge d'électricité statique pouvant provenir d'appareils électroniques situés à proximité ou d'un contact humain. Des décharges contrôlées sont envoyées à différentes parties de l'appareil pour s'assurer qu'il ne fonctionne pas mal à cause d'étincelles accidentelles.
Enfin, assurez-vous que les ports et les câbles de l'appareil ne présentent pas de signaux électriques indésirables produisant du bruit. Il s'agit d'émissions conduites qui interfèrent avec d'autres appareils connectés au réseau. Mesurez ces émissions pour vous assurer que les IEM sont inférieures à la limite spécifiée par votre secteur d'activité.
Pour l'électronique grand public, la limite moyenne (dBuV) passe de 56 à 46 pour les gammes de fréquences de 0,15 à 30,0 (Mhz).

Conclusion

Nous insistons sur le rôle de la CEM dans les conceptions modernes de circuits imprimés afin de répondre aux normes strictes de l'industrie. Toutefois, l'avenir s'annonce intriguant avec l'intégration de l'IA et des circuits imprimés en 3D.
L'IA a révolutionné la conception des circuits imprimés en contribuant au processus d'assemblage. Vous pouvez l'utiliser pour collecter des données à partir des capteurs des appareils modernes. Les algorithmes d'apprentissage automatique de l'IA analysent ces données pour automatiser la maintenance prédictive, l'optimisation de la chaîne d'approvisionnement, le contrôle de la qualité et l'optimisation des processus.
PCB imprimés en 3D représentent également une innovation significative dans le processus de conception. Il est possible de créer des géométries complexes qui n'auraient pas été possibles autrement. Lorsque les deux technologies seront synchronisées, il sera plus facile de résoudre les problèmes de compatibilité électromagnétique.
Si vous êtes à la recherche de services PCB/PCBA rentables, nous contacter pour démarrer votre projet.
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